1. Устройство и работа полевого транзистора

Дополнительная теоретическая информация о том, зачем нужны транзисторы, история их создания, описание p-n перехода и полупроводниковых диодов содержится в описании к лабораторной работе № 2 «Биполярные транзисторы». Тем студентам, которые не уверены в своих знаниях по этим темам, настоятельно рекомендуется прочитать это описание.

1.1. Классификация и устройство полевых транзисторов

Семейство полевых транзисторов (ПТ) довольно обширно (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Семейство полевых транзисторов

Они отличается технологией изготовления, характеристиками и способами включения. Общим для всех типов ПТ является наличие полупроводникового канала, проводимостью которого управляет электрическое поле, направленное поперек тока канала (проводимость меняется из-за обеднения канала основными носителями заряда). Канал с двух сторон оканчивается электродами – <сток>, <исток>. Электрическое поле задается боковым третьим электродом <затвор>. При правильном включении ток через этот электрод транзистора исключительно мал, что является важнейшим отличительным свойством полевого транзистора. Значения тока затвора лежат в области десятков наноампер и меньше. При промышленном изготовлении используется два способа изоляции <затвора> – изоляция обратно смещенным p-n переходом (ПТ с затвором на p-n переходе) и слоем диэлектрика (МОП или ПТ с изолированным затвором). Каждое из этих семейств имеет две разновидности по типу полупроводника канала – n-типа и p-типа.

Рис. 3.2. Внутренне устройство полевого транзистора с затвором на p-n переходе.

В заданиях к этой рабо­те используются транзис­торы с каналом n-типа и с затвором, изолированным от канала p-n переходом, смещенным в обрат­ном нап­рав­лении (рис. 3.2). Поз­на­комившись с тран­зис­торами с затвором на p-n переходе, Вы без труда разбе­ре­тесь с помощью спра­вочника с МОП-транзис­торами.

1.2. Устройство полевого транзистора с p-n переходом

Внутреннее устройство n-канального полевого транзистора с p-n переходом приведено на рис. 3.2. К концам бруска легированного кремния n-типа прикреплены выводы. На боковой поверхности бруска помещается область кремния p-типа, вокруг которой образуется p-n переход. Контакт на нижнем конце бруска называется истоком, контакт на верхнем конце бруска – стоком, контакт на p-области – затвором. В альтернативной конструкции с каналом p-типа затвор выполнен из материала n-типа, что влияет на полярность его включения. Все полярности напряжений смещения, подаваемых на электроды транзисторов с n- и с p-каналом, противоположны.

Как это следует из названий, электроны движутся от истока к стоку, встречая на своем пути обедненный слой p-n перехода. Чем шире обедненный слой, тем уже канал, по которому могут проходить электроны от истока к стоку, поскольку сам обедненный слой, лишенный свободных носителей, ведет себя как изолятор. На затвор подается отрицательное напряжение смещения относительно истока, величина которого определяет ширину этого слоя и, соответственно, ток от истока к стоку. Естественно, в затвор при этом течет только очень малый ток обратно смещенного диода. Если увеличивать запирающее напряжение, что в какой-то момент обедненный слой полностью перекроет канал, и транзистор будет заперт. Это напряжение называют напряжением отсечки.

Основными характерис­ти­ка­ми полевого транзистора явля­ются:

1. U_зи отс – напряжение отсечки, при котором I_с  10 мкА, при U_си = 10 В;

2. I_со – начальный ток стока, при U_зи = 0 В, U_си = 10 В;

3. – крутизна, при U_зи = 0 В, U_си = 10 В;

4. r_с – дифференциальное сопротивление стока при U_зи = 0 В, U_си = 10 В.

Вольтамперные характеристики полевых транзисторов с p-n переходом приведены на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Вольтамперные характеристики полевого транзистора с p-n переходом

Очень малый ток затвора дает полевым транзисторам важное преимущество по сравнению с биполярными транзисторами, неотъемлемой чертой которых является наличие тока базы. Во-первых, это обеспечивает высокое входное сопротивление схем на их основе, что позволяет их применять даже в случае очень больших выходных сопротивлений источников сигнала. Во-вторых, схемы на полевых транзисторах обычно получаются проще схем на биполярных транзисторах – нет необходимости задавать смещение базы, учитывать ток базы. Однако у биполярных транзисторов есть очень важное достоинство – их крутизна (способность к усилению) существенно выше, чем у полевых транзисторов. На практике наилучшими параметрами обладают схемы, в которых входные (буферные) каскады построены на полевых транзисторах, а последующие (усилительные) – на биполярных.

Заметьте, что:

1) потенциал затвора должен при любых изменениях напряжений в схеме оставаться отрицательнее стока и истока для транзисторов с n‑каналом, а для транзисторов с p‑каналом – положительнее. Иначе через затвор потечет прямой ток p-n перехода и ПТ потеряет свое самое замечательное для схемотехники свойство;

2) в усилительных схемах желательно, чтобы I_с зависел только от U_зи и не зависел от U_cи, поэтому, разрабатывая новую схему, напряжение U_cи выбирают таким, чтобы эта зависимость была как можно более слабой, следовательно, U_cи сток должно всегда оставаться больше 3‑4 вольт для КП307, (проверьте по вольт-амперным характеристикам);

3) обратите внимание, что при U_cи < 2 В, наклон выходных характеристик на рис. 3.3 намного больше, чем при U_cи > 2 В и, что самое важное, проводимость канала зависит от U_зи. Это позволяет использовать ПТ в схемах в качестве регулируемого сопротивления;

4) в любых схемах включения транзистора, напряжения, токи транзистора и рассеиваемая на транзисторе мощность должны быть всегда меньше предельно допустимых параметров, указанных в справочнике, иначе Вы лишитесь транзистора.